(57)【要約】【課題】高層建築物の屋上あるいはタワーなどの柔構造物に設置された光通信装置が、風による構造物の振動が生じても、通信相手とのレーザリンクを安定的に保持できるような光通信装置の指向制御システムを提供する。【解決手段】第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎから検出情報を受ける第１振動予測手段３１は実測された構造物の振動から予測振動波形を生成し、第１〜第ｎ風向・風速計２１〜２ｎから検出情報を受ける第２振動予測手段３２は検出された風向きおよび風速から構造物に生ずる予測振動波形を生成し、振動重畳手段３３は、第１，第２振動予測手段３１，３２からの各波形を重畳して構造物に生ずる予測振動波形を生成し、振動重畳手段３３からの予測振動波形から予測される光通信装置５０の設置位置の変動を相殺するように駆動制御手段４１が駆動機構部４２に指令して光通信装置５０の設置位置を移動させる。【選択図】図１
2007135020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間的に離れた地点と光通信を行う光通信装置が設置される構造物に生じる周期的な振動状態を検出し、この検出された振動状態に基づき、予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求め、
前記光通信装置が設置される構造物に作用する風向きおよび風速を検出し、この検出された風向きおよび風速に基づき、予測される構造物の振動状態を第２振動予測情報として求め、
これら第１振動予測情報および第２振動予測情報に基づき、予測される光通信装置の変位を変位予測情報として求め、
前記変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺して光通信装置の送受信方向のズレを補正するようにしたことを特徴とする光通信装置の指向制御方法。
【請求項２】
空間的に離れた地点と光通信を行う光通信装置と、
前記光通信装置が設置される構造物に生じる周期的な振動状態を検出する振動状態検出手段と、
前記光通信装置が設置される構造物に作用する風向きおよび風速を検出する風向・風速検出手段と、
前記振動状態検出手段により検出された振動状態に基づき、予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求め、前記風向・風速検出手段により検出された風向きおよび風速に基づき、予測される構造物の振動状態を第２振動予測情報として求め、これら第１振動予測情報および第２振動予測情報に基づき、予測される光通信装置の変位を変位予測情報として求める変位予測情報取得装置と、
前記変位予測情報取得装置からの変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺して光通信装置の送受信方向のズレを補正する変位補正装置と、
からなることを特徴とする光通信装置の指向制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視野を確保するなどのために、高層建築物の屋上あるいはタワーなどの柔構造物に設置された光通信装置が、風による構造物の振動が生じても、通信相手とのレーザリンクを保持できるように、光通信装置の指向制御を行う方法および、この方法を実現する指向制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地上−地上間あるいは地上−衛星間で光通信を行う光通信装置では、通信相手に光望遠鏡を向ける粗捕捉を行った上で、光望遠鏡から入射した受信光をミラーを介して導入し、その受信光の受信位置が適正（受光素子の受光面上におけるほぼ中央位置で受光できる状態）となるようにミラーの角度を微小変化させる精追尾機構などを設け、精追尾機構により通信相手の精追尾を行うことでレーザリンクを保持するような指向制御が行われる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０３６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来の光通信装置では、光通信装置の位置が大きく変動してしまうと、通信相手を追尾しきれなくなってロストしてしまう可能性がある。例えば、光通信装置が設置されている構造物に対し、精追尾機構の追尾範囲を超える振動（振動周期の比較的長い「揺れ」も含めて「振動」と総称する。）が発生した場合には、もはや追尾を継続することはできず、改めて再捕捉する必要が発生する。
【０００５】
特に、人工衛星のような移動体との間の光空間通信においては、通信相手の位置が経時的に変動するため、再捕捉には長時間を要することから、その周回でのデータ通信は諦めざるを得ない状況となる場合もあり、地上側の光通信装置が設置された構造物の振動は、地上−衛星間の光通信で無視し得ない重大な問題である。
【０００６】
以上のような問題点に鑑み、本発明は、高層建築物の屋上あるいはタワーなどの柔構造物に設置された光通信装置が、風による構造物の振動が生じても、通信相手とのレーザリンクを安定的に保持できるような光通信装置の指向制御方法の提供、およびこの方法を実現する光通信装置の指向制御システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、空間的に離れた地点と光通信を行う光通信装置が設置される構造物に生じる周期的な振動状態を検出し、この検出された振動状態に基づき、予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求め、前記光通信装置が設置される構造物に作用する風向きおよび風速を検出し、この検出された風向きおよび風速に基づき、予測される構造物の振動状態を第２振動予測情報として求め、これら第１振動予測情報および第２振動予測情報に基づき、予測される光通信装置の変位を変位予測情報として求め、前記変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺するように光通信装置の送受信方向のズレを補正するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、空間的に離れた地点と光通信を行う光通信装置と、前記光通信装置が設置される構造物に生じる周期的な振動状態を検出する振動状態検出手段と、前記光通信装置が設置される構造物に作用する風向きおよび風速を検出する風向・風速検出手段と、前記振動状態検出手段により検出された振動状態に基づき、予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求め、前記風向・風速検出手段により検出された風向きおよび風速に基づき、予測される構造物の振動状態を第２振動予測情報として求め、これら第１振動予測情報および第２振動予測情報に基づき、予測される光通信装置の変位を変位予測情報として求める変位予測情報取得装置と、前記変位予測情報取得装置からの変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺するように光通信装置の送受信方向のズレを補正する変位補正装置と、からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、既に構造物に生じている振動から将来的に予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求めると共に、構造物に作用した風の向き・風速から将来的に予測される構造物の振動状態を第２振動予想情報として求め、これら第１振動予測情報から想定される振動と第２振動予測情報から想定される振動との相互作用によって構造物に生ずる振動予測から光通信装置の変位予測情報（経過時間に対する移動量や移動方向）を求めることができ、この変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺するように光通信装置の送受信方向のズレを補正するので、構造物の振動に起因して光通信装置が通信相手をロストすることを効果的に防止でき、光通信装置は通信相手を良好に追尾できる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、変位予測情報取得装置は、既に構造物に生じている振動から将来的に予測される構造物の振動状態を第１振動予測情報として求めると共に、構造物に作用した風の向き・風速から将来的に予測される構造物の振動状態を第２振動予想情報として求め、これら第１振動予測情報から想定される振動と第２振動予測情報から想定される振動との相互作用によって構造物に生ずる振動予測から光通信装置の変位予測情報（経過時間に対する移動量や移動方向）を求めることができ、更に、この変位予測情報に基づいて、光通信装置に生ずる変位を相殺するように、変位補正装置が光通信装置の送受信方向のズレを補正するので、構造物の振動に起因して光通信装置が通信相手をロストすることを効果的に防止でき、光通信装置は通信相手を良好に追尾できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係る光通信装置の指向制御方法および光通信装置の指向制御システムの実施形態を説明する。
【００１２】
図１は、空間的に離れた地点と光通信を行う光通信装置５０の指向制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。第１振動計１１〜第Ｎ振動計１Ｎ（Ｎは２以上の自然数）は、光通信装置５０が設置される構造物に生じる周期的な振動状態を検出する振動状態検出手段として機能し、第１風向・風速計２１〜第ｎ風向・風速計２ｎ（ｎは２以上の自然数）は、光通信装置５０が設置される構造物に作用する風向きおよび風速を検出する風向・風速検出手段として機能し、これら第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎおよび第１〜第ｎ風向・風速計２１〜２ｎからの検出情報を受ける変位予測情報取得装置３０は、光通信装置５０の設置位置の変位を予測できる変位予測情報を求め、この変位予測情報取得装置３０から変位予測情報を受けた変位補正装置４０は、予測される変位を相殺するように光通信装置５０の送受信方向のズレを補正させるものである。
【００１３】
先ず、本発明に係る光通信装置の指向制御方法の概要を説明する。地上−地上間、あるいは地上−人工衛星間の光通信においては、地上通信局が構造物（特に、高層タワーなどの高層建築物）に設置されている場合、風等による高層建築物の揺れ（１または複数の線形自由度を持つ並進振動）によって、光通信装置５０の位置が変動することに起因して光望遠鏡の送受信方向がずれ、通信不能に陥る可能性がある。そこで、比較的短時間後までの高層建築物の振動を逐次予測し、予測した振動による光通信装置の変動を相殺するように光通信装置の送受信方向のズレを補正することにより、光通信装置が備える捕捉・追尾機構による相手局の追尾を円滑に行わせるのである。なお、この予測される変位の補正に際しては、光通信装置５０の設置位置を移動させて、光通信装置が絶対位置にて停止している状態を擬似的に生ぜしめ、光通信装置の指向を妨げる要因を排除しても良いし、光通信装置５０の設置位置が変位することで生じた指向方向のズレを補正するように、光通信装置５０自体の向きを変更するようにしても良い。
【００１４】
上述したような光通信装置の指向制御を実現するためには、構造物の振動を高い精度で予測する必要がある。高層建築物の振動の発生には、種々の要因が考えられるが、最も大きな振動の要因は風である。気象条件により、無風のときもあれば、強風のときもある。同程度の風速がしばらく続くときもあれば、突風のように突然風速が変化するときもある。しかも、風速のみならず風向も常に変化しており、構造物に作用する風の発生を予測することは現実的に不可能である。
【００１５】
しかしながら、風がどのように発生し、どのように構造物に作用しても、構造物は、その固有振動数で振動を起こし、次第に減衰していくので、構造物に振動を生じさせる力（向きと大きさ）を特定できれば、この力による構造物の振動状態を予測することが可能である。すなわち、風向・風速計によって風の向きと大きさを検知できれば、この風による構造物の振動状態を予測できるのである。さらに、過去の風によって生じた振動に、新たな風によって生ずる振動を重畳すれば、その後の構造物の振動を予測できる。なお、構造物自体の振動の周波数は変わらなくても、それぞれの風に起因する振れ幅の大きさと位相のずれにより、合成された振動は、さらに増幅されたり、弱められたりする。
【００１６】
従って、今よりもある時間（数秒程度）だけ前に発生した構造物の振動を第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎによって実測していれば、この後の構造物の振動（大きさと方向）を予測でき、今発生した風の風向・風速を第１〜第ｎ風向・風速計２１〜２ｎによって計測していれば、この風によって新たに生ずる構造物の振動（大きさと方向）を予測でき、これらを重畳することにより、今から近い将来における構造物の振動として予測される振動予測情報を得ることができる。この振動予測情報を光通信装置５０の変位予測情報として求めるのが変位予測情報取得装置３０である。
【００１７】
具体的には、構造物の固有振動数が既知であれば、最初の振動のレベル（大きさ、方向）が分かれば、「ある時間後」の振動を振動方程式（固有振動と減衰の積）から求めることができる。例えば、図２（ａ１）のように、第１風向・風速計２１による風の発生が検出され、この風によって構造物に振動が生じた場合、図２（ａ２）に示すような構造物の振動波形（横軸は経過時間ｔ、縦軸は相対的な変位量）を求めることができる。この振動波形において、振動が生じた時間ｔ0〜所定時間経過後の時間ｔ1までは、第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎから送信された検出情報に基づいて実測された振動波形であり、この時間ｔ1以降は振動のレベルから予測される振動波形である。この第１振動予測情報である第１予測振動波形の生成は、第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎから検出情報を受ける第１振動予測手段３１が行う。
【００１８】
また、今発生した風の風向・風速を正確に計測できれば、この風による構造物の振動のレベル（大きさと方向）も予測できる。例えば、説明を簡単にするため、図２（ａ１）の如く検出された風向きと同じ方向の風が、図２（ｂ１）のように、同じく第１風向・風速計２１により検出されたとき、この風による振動が生じた時間ｔ1以降の振動波形は、図２（ｂ２）のように予測される。この第２振動予測情報である第２予測振動波形の生成は、第１〜第ｎ風向・風速計２１〜２ｎから検出情報を受ける第２振動予測手段３２が行う。
【００１９】
そして、新たに検出された風による振動方向は、既に生じている振動と同じ方向であるから、過去の風により引き起こされた振動の実測から時刻ｔ1以降に予測される第１予測振動波形（図２（ａ２）のｔ1以降の波形）と、新たに発生した風によって時刻ｔ1以降に引き起こされると予測される第２予測振動波形（図２（ｂ２）のｔ1以降の波形）とを重畳することにより、図２（ｃ）に示すように、時刻ｔ1以降に構造物に生ずると予測される振動波形を得ることができる。この変位予測情報である重畳予測振動波形は、第１，第２振動予測手段３１，３２から各々第１，第２予測振動波形を受ける振動重畳手段３３により行う。
【００２０】
極めて希なケースであるが、構造物が振動していない場合（第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎによる振動が検出されていない場合）には、無振動時に発生した風に基づく第１〜第ｎ風向・風速計２１〜２ｎからの検出情報により第２振動予測手段３２が生成した第２予測振動波形が、そのまま振動重畳手段３３から出力される重畳予測振動波形となる。そして、この風による構造物の振動が第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎにより検出されて、第１振動予測手段３１により第１予測振動波形が生成されるようになった後に、新たな風が検出されて第２振動予測手段３２が新たな第２予測振動波形を生成すると、この時に第１振動予測手段３３が実測情報に基づいて生成した第１予測振動波形が第２振動予測手段３２からの第２予測振動波形に重畳されて、振動重畳手段３３から重畳予測振動波形として出力される。
【００２１】
なお、風によって新たに引き起こされる振動の向きが、既に生じている振動の向きと同一になることは希であるから、構造物に生ずる振動の予測に際して、例えば水平面内で直交する２つのベクトル成分に分けて振動予測を行うなど、公知既存の振動予測技術を適宜に採用することで、予測振動の信頼性を高めることができる。しかしながら、第１振動予測手段３１は、第１〜第Ｎ振動計１１〜１Ｎからの実測データに基づいて第１予測振動波形を随時生成するので、振動波形の予測に誤差が生じていても、振動重畳手段３３により生成される重畳予測振動波形が実際の構造物の振動から大きく外れてしまうことを効果的に抑止できる。また、演算により振動予測を行うものに限らず、検出された風向・風速に基づく振動の実測データをデータベース化しておき、検出された風向・風速からデータベースを参照して、振動波形を予測するようにしても良い。
【００２２】
上記のように、光通信装置５０が設置された構造物の将来（例えば、数秒後）の振動を時々刻々予測できれば、その予測振動を、光通信装置５０の設置位置の変位予測情報（経過時間に対する移動量や移動方向）として用いることができる。例えば、振動重畳手段３３より図２（ｃ）のような重畳予測振動波形が入力される変位補正装置４０では、駆動制御手段４１が構造物の振動による光通信装置５０の変位を相殺するように駆動機構部４２に駆動指令を行い、光通信装置５０が設置されている可動ステージを駆動機構部４２が駆動することで、構造物の振動による移動方向と逆向きに同一量だけ光通信装置５０を移動させる。斯くして、構造物の振動による光通信装置５０の設置位置の変動が補正されることとなり、光通信装置５０は定位置（少なくとも、光通信装置５０が備える精追尾機構で追尾可能な範囲）に止め置かれるので、通信の相手が地上の固定局であっても、一定軌道を周回する人工衛星であっても、自局が設置されている構造物に生じた振動に起因する光望遠鏡の指向のずれを効果的に回避できる。
【００２３】
なお、高層ビルやタワー等の構造物が振動することで光通信装置５０の設置位置に生ずる変動は、水平方向の変位量に対して鉛直方向の変位量は極めて小さい値にとどまり、事実上、駆動機構部４２の可動ステージは水平面内（Ｘ軸−Ｙ軸方向）で移動可能な構造を備えていれば十分と想定される。しかしながら、光通信装置５０が防災無線のための役割を担っているような場合、すなわち、その通信の重要度によっては、鉛直方向の変動にも十分追随できる機能が変位補正装置４０に要求される場合もあるので、駆動機構部４２の可動ステージを鉛直面内（Ｚ軸方向）でも移動可能な構造としても良い。
【００２４】
また、変位補正装置４０の駆動機構部４２として、鉛直方向の回動軸を有するターンテーブルを用い、光通信装置５０が設置されたターンテーブルを回転させて光望遠鏡の向きを変えることにより、光通信装置５０を相手局への送受信方向のズレを補正することで、構造物に生ずる振動に起因する光望遠鏡の指向のずれを回避するようにしても良い。このような構成を採れば、変位補正装置４０における駆動機構部４２の構造を簡易化できる反面、駆動制御手段４１に要求される制御が若干複雑になる。
【００２５】
例えば、通信の相手方（相手局）がビルやタワーなどの地上の固定局の場合では、自局から相手局までの離隔距離が既知であるため、相手局に真っ直ぐな方位軸に直交する方向の変位（相手局の方向をＸ軸とすれば、これに直交するＹ軸の変位）および相手局までの離隔距離から、方向のズレ（変位角度）を求めることができるので、この変位角度を補正するように駆動機構部４２のターンテーブルを回転させれば、光通信装置５０の光望遠鏡のズレを補正することができる。なお、自局のあるビルに生じた並進振動による変位が、相手局の方向であるＸ軸に一致している場合には、変位角度の補正は必要ない。
【００２６】
一方、通信の相手方（相手局）が人工衛星の場合、その周回軌道を時間経過に伴って移動して行くので、地上の自局から見える人工衛星の方向および離隔距離を予測軌道情報から取得し、構造物の振動による光通信装置５０の変位で生じたズレである変位角度を求め、この変位角度を相殺するようにターンテーブルを回転させて光通信装置５０の送受信方向のズレを補正すれば良い。なお、鉛直方向の可動軸を有するターンテーブルを用いた駆動機構部４２により補正できるのは、ターンテーブルを含む水平面内での変位角度に限定され、仰角の変位まで相殺するような補正を行うことはできないものの、光通信装置５０が標準的に備える精追尾機構で追随できる程度の誤差範囲に抑制できるので、リンク断を生じさせない指向制御として十分有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】光通信装置の指向制御システムの概略構成図である。
【図２】変位予測情報取得装置による予測振動波形の生成過程説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１〜１Ｎ  第１〜第Ｎ振動計
２１〜２ｎ  第１〜第ｎ風向・風速計
３０  変位予測情報取得装置
３１  第１振動予測装置
３２  第２振動予測装置
３３  振動重畳手段
４０  変位補正装置
４１  駆動制御手段
４２  駆動機構部
５０  光通信装置
【図１】
2007135020.tif 000003
【図２】
2007135020.tif 000004